云層加速全球變暖？

今天，眾多專家團隊已經(jīng)開發(fā)出超過20個復(fù)雜的氣候模型，并用大量氣候數(shù)據(jù)進行了檢驗。所有模型都顯示，由于溫室氣體持續(xù)排放，地球正在變暖。但是多年來，它們始終無法對云的影響做出統(tǒng)一判斷?，F(xiàn)在，這一情況開始改變，不同模型對云的模擬結(jié)果開始趨于相同。衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他觀測數(shù)據(jù)一起，揭示出變化的云層正在怎樣改變地球。那么，這些新見解是會給我們帶來希望，還是會加深我們的恐懼呢？

加速全球變暖的循環(huán)

想象一下工業(yè)革命前夕的地球。六大洲的人類已經(jīng)在砍伐森林，建造牧場和城鎮(zhèn)。然而幾千年來，大氣中的CO2濃度都保持在280ppm（百萬分之一）。之后，人類發(fā)明了內(nèi)燃機。快進到20世紀(jì)末，此時大氣中的CO2濃度已經(jīng)大大增加了。截至2017年，大氣中CO2濃度已經(jīng)超過400ppm。這一巨變影響了整個星球系統(tǒng)，承載著我們呼吸的對流層也在變暖。大陸在升溫，淺海也在升溫。大氣中，空氣和水蒸氣循環(huán)開始發(fā)生改變。按照目前的趨勢，到本世紀(jì)中期，大氣中CO2濃度將達到工業(yè)革命前的兩倍，地球?qū)⑦M一步加熱。幾百年之后，地球最終將在更高的溫度下達到新的平衡。

地球?qū)O2濃度加倍的響應(yīng)被稱為 “平衡氣候敏感度”（equilibrium climate sensitivity,簡稱ECS）。每一個氣候模型都顯示，ECS大于0，也就是說，當(dāng)大氣中CO2含量加倍時，會有一定程度的氣候變暖。但是，這些模型對變暖程度的預(yù)測從2℃到4.5℃不等，從造成顯著影響到產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

這些模型的預(yù)測結(jié)果之所以不一樣，很大程度上是因為它們對云的看法不同。如果能更好地處理云的問題，我們就能大大縮小地球變暖的變化范圍，做出更準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)測。但是，準(zhǔn)確評估云的影響并不容易，原因有兩個：第一，氣候變暖對不同種類的云的影響不同；第二，云的變化能以多種方式影響氣候變暖。

這種雙向交互作用就是反饋。我們對一些氣候反饋機制了解頗深。比如說，海冰的顏色亮白，因此能將大部分太陽光線反射回太空，但它們?nèi)诨?，顏色更深的海水顯露出來，就無法反射原來那么多的陽光了。這會讓空氣變暖，導(dǎo)致更多的海冰融化，露出更多深色海洋，反射更少的陽光。這樣，一個加速全球變暖的循環(huán)反饋機制就形成了。我們對這類正反饋機制的研究相當(dāng)成熟，對于這類機制會如何影響氣候變化，大多數(shù)氣候模型的預(yù)測也是一致的。

了解云的反饋機制要困難得多。和自然歷史博物館的檔案員一樣，氣候科學(xué)家也創(chuàng)造了一種粗略的云分類法，根據(jù)不同的特征對云進行區(qū)分。這里面云的兩個基本屬性是，云距離地表的高度和云的透明度。低空云有時相對透明，在晴朗天氣里看起來就像打散的泡芙一樣蓬松；有時卻完全不透明，就像海邊彌漫的霧。高空云也有不同的形態(tài)，從幾乎不會遮擋住陽光的縷狀云，到在雷暴天氣中遮天蔽日、壓城欲摧的烏云，同樣變化多端，各有不同。

這套分類法很管用，因為它明顯地指出了云層影響地球變暖或變冷的主要方式。有些云能困住來自地球的熱量，只把一部分熱量輻射到外部空間，因此會加劇溫室效應(yīng)。如果沒有它們，地球會變得更泠。就保溫而言，位于寒冷高空的云層表現(xiàn)得尤為出色。

其他的云則起相反的作用，它們阻擋陽光到達地球表面，讓地面保持涼爽。這種效應(yīng)在低空厚云層中非常明顯。在目前的氣候條件下，這種效應(yīng)要強于云層的溫室效應(yīng)。事實上，目前云層的凈制冷效果依然強大，比CO2濃度加倍導(dǎo)致的升溫效果還要強5倍左右。

這就意味著，哪怕是微小的云層變化也會產(chǎn)生巨大的影響。如果透明的高空云增多，入射的太陽光不受影響，但它們能鎖住更多熱量，這樣地球就會變暖。如果不透明的低空云增多，陽光被擋在外面，地球就會變得更冷。云的遷移一樣重要：當(dāng)反射陽光的云從明媚的熱帶和亞熱帶遷移到寒冷黑暗的極地，它們的冷卻效果就會減弱。云層的高度也很重要：高空云移到更寒冷的高處后，它們的溫室效應(yīng)就會加強變暖的地球也會改變寒冷高空云中冰晶和水滴的比例，讓它們變得更加濕潤、厚實，從而阻擋更多的陽光。

這些效果沒有一個是孤立存在的，也正因如此，氣候模型對云的處理就格外困難。一些模型顯示，云層是強烈的正反饋，將顯著加劇全球變暖。有些模型則顯示，云層是微弱的負(fù)反饋，能輕微減緩全球變暖。把云層看作是最強烈的正反饋的模型，預(yù)測的平衡氣候敏感度是2℃到4.5℃這個升溫范圍的最大值。

我們無法很好地模擬云，這一點兒都不奇怪。因為云可以很大，也可以很小。云雖由微小的水滴和冰晶組成，卻始終覆蓋著地球70%以上的地區(qū)。在設(shè)計計算機模型時，我們必須有所取舍：是關(guān)注細節(jié)，在一小塊區(qū)域詳細地模擬云中的每顆水滴，和它們的湍流運動，還是在宏觀上，模擬云層上升、下沉，將水蒸氣帶到世界各個角落的大規(guī)模運動。魚與熊掌不可兼得。我們無法追蹤任意時刻、整個大氣中每一顆水滴的行為，因為運算量太大了。

因此，我們嘗試將微觀和宏觀統(tǒng)一起來，也知道這樣做意味著要有所妥協(xié)。一個全球氣候模型，應(yīng)當(dāng)使用簡單的參數(shù)來描述總體行為。我們根據(jù)大氣物理學(xué)知識得出這些參數(shù)，并通過與全球小區(qū)域的精細氣候模型對比，然后進行測試并加以改進。

當(dāng)然，現(xiàn)在仍沒有一個統(tǒng)一宏觀和微觀的完美模型。那有沒有可能找到呢？

云層怎樣變化？

現(xiàn)在，我們先來解決第一個挑戰(zhàn)：高空云。通過測量，我們有充分的理由相信氣候會重塑大氣，進一步提升對流層（產(chǎn)生各種天氣的低空大氣層）與上方的平流層之間的邊界。我們推測，高空云會隨著升高的邊界線一起上升。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的科學(xué)家馬克·澤林卡（Mark Zelinka）深入思考過這一提升的影響。他表示，當(dāng)?shù)厍蛟贑O2的影響下變得更暖和時，它會通過紅外輻射向太空傳遞熱量，給自己降溫。如果高空云仍在原來的高度上，它們就會和大氣同步變暖。這樣一來，高空云就會向太空輻射更多的熱量。但是，澤林卡等人會認(rèn)為，高空云的高度會升高，讓自己的溫度保持跟之前一樣。因此，它們不能把所有增加的熱量都輻射到太空中，沒有輻射走的那部分熱量就會反過來進一步加熱大氣。這樣就會形成一個正反饋：高空云越升越高，地球自我冷卻的能力也就越來越弱。

那么，低空云又將如何變化呢？氣候模型似乎都認(rèn)為，地球變暖，低空云將會減少。然而，英國氣象局（Met Office）的氣候?qū)W家、云反饋模型對比項目（Cloud Feedback Model Intercomparison Project,CFMIP）的馬克·韋伯（Mark Webb）卻認(rèn)為，實際情況要更為復(fù)雜（不知道是單純巧合，還是我們這個領(lǐng)域的多樣化程度實在不高，很多云層研究專家都叫馬克）。韋伯跟同事爭論的是，為什么地球變暖會導(dǎo)致低空云減少。這一現(xiàn)象背后的機制，可能與濕潤的低空云被上層干燥空氣以對流或湍流的方式稀釋有關(guān)。韋伯表示，傳統(tǒng)模型的計算能力不夠，沒法直接模擬這些局部過程，只能給出估計值，彼此差別很大。雖然不同模型對低空云層減少多少意見不一，但關(guān)鍵的一點是，大多數(shù)模型都認(rèn)為低空云會減少。低空云的減少意味著，反射回太空的陽光也會減少，這樣就又形成一個加速全球變暖的正反饋。

還有一個效應(yīng)需要考慮。大氣的整體環(huán)流，主要是由赤道和兩極在光照和溫度上的差異驅(qū)動。溫暖的熱帶空氣會上升，并逐漸冷卻。上升到高空之后，空氣就開始向更冷的兩極地區(qū)橫向移動。在移動的過程中，空氣變冷并在緯度30°左右的地區(qū)下沉回到地面。下沉過程中，空氣又變得溫暖、干燥起來。上升的空氣在冷卻時帶來降水，因此熱空氣帶地區(qū)是多雨氣候，而空氣下沉地區(qū)則是沙漠型氣候。

氣候變化將改變這一模式。北半球高緯度地區(qū)比熱帶地區(qū)升溫快，這一現(xiàn)象被稱為北極放大效應(yīng)（Arctic amplification），會導(dǎo)致兩極和赤道之間的溫差縮小?，F(xiàn)在，二者的溫差已經(jīng)縮小了，并將帶來巨變。或許，最重要的一個后果是熱帶地區(qū)擴張，將多雨帶和干燥帶推向兩極。這對陸地的影響之一，是多雨帶和干燥帶的交界地區(qū)，比如地中海、薩赫勒和美國西南部地區(qū)，很可能會變得更加干燥。事實上，我和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的席琳·邦菲斯（Céline Bonfils）最近分析了衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)跟預(yù)期一樣，這些地區(qū)的降水模式發(fā)生了變化。如果云也跟著一起遷移，云的反射層也會從低緯度地區(qū)遷移到高緯度地區(qū)。而高緯度地區(qū)光照強度弱，與在熱帶地區(qū)相比，云的降溫效果就會下降。

要改進氣候模型，還有一個復(fù)雜的因素必須加以考慮：全球變暖會改變云的組成。云是由微小的水滴和冰晶顆粒組成，厚實的低空云往往含水量更高，透明度比薄薄的高空云低。當(dāng)氣候變暖時，更多高空云中的冰晶融化成液體，導(dǎo)致透明度降低，從而擋住更多的陽光。澤林卡表示，如果冰云“解凍”，它就會變得更濕潤、“多汁”。這種負(fù)反饋是抑制全球變暖的重要剎車器。

接近真相的預(yù)測

前面提到，不同模型預(yù)測的全球溫度上升區(qū)間在2℃到4.5℃。因為變化多端的云，縮小這一預(yù)測區(qū)間變得無比困難。但是，我們有一個強大的數(shù)據(jù)庫可以用：過去發(fā)生的歷史。

自從20世紀(jì)80年代人類把氣象衛(wèi)星送入地球軌道以來，我們就開始觀測云層了。我們將模型與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比，從而改進模型。但是，有些較為老舊的衛(wèi)星的測量結(jié)果可能會有問題。地球觀測衛(wèi)星上的攝像儀器，通過從黑色背景中找尋白色物體的方式來找云。但是，它們無法將云和其他白色物體區(qū)分開來，尤其是無法區(qū)分富含冰晶的云和白雪皚皚的地面。此外，高空云還會掩蓋低空云層的變化。

但是，在過去十年間，我們的觀測有了很大進步，主要歸功于“午后列車”（A-train）。美國航空航天局的“午后星座”（Afternoon Constellation），又稱“午后列車”，是由六顆地球觀測衛(wèi)星組成的一組飛行衛(wèi)星。它們按照一條軌道飛行，通過燃燒燃料保持軌道穩(wěn)定。其中的兩顆，云探測衛(wèi)星（Cloud-Sat）和云-浮質(zhì)激光雷達及紅外探險者衛(wèi)星（CALIPSO）為我們提供了無比寶貴的信息。CloudSat衛(wèi)星使用的無線電波，能輕易穿透輕薄的高空云，探測更為厚實的低空云層。它還能判斷某片云是在降水還是在降雪。CALIPSO衛(wèi)星利用激光雷達來對云進行成像，能分辨出云是由冰晶組成，還是由水滴組成。

這些衛(wèi)星一起加深了我們對云層的理解，告訴我們云在未來會如何變化。觀測結(jié)果似乎支持我們的觀點，即隨著地球變暖，高空云在上升，地球的自我冷卻能力也會因此降低。還有一項近期研究揭示出，只有一部分高空云出現(xiàn)液滴增加，冰晶減少的現(xiàn)象，并非所有高空云都是如此，跟預(yù)期不符。這意味著，高空云含水量上升的負(fù)反饋可能并不像我們之前想象的那樣明顯。

CloudSat衛(wèi)星和CALIPSO衛(wèi)星于2006年發(fā)射升空，它們的數(shù)據(jù)記錄時間太短，不足以讓我們在氣候的自然波動中確認(rèn)氣候變化。為了加深理解，設(shè)計用于觀測短期天氣趨勢的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也被科學(xué)家納入研究范圍。值得一提的有兩個項目，一個是國際衛(wèi)星云氣候?qū)W項目（International Satellite Cloud Climatology Project），另一個是探路者大氣擴 展項 目 （Pathfinder Atmospheres-Extended Project），但是，美國航空航天局噴氣推進實驗室的馬克·理查森（Mark Richardson）表示，這些項目研究的氣象衛(wèi)星設(shè)計各不相同，每天采集天氣數(shù)據(jù)的時間窗口也不一樣。即便如此，我和澤林卡仍然相信，只要知道去哪里尋找，這些記錄就能提供線索。

我們首先提出了一個簡單的問題：地球上云量最多的區(qū)域和最晴朗的地區(qū)的緯度在哪里？和我們預(yù)料的一樣，熱帶地區(qū)的云量達到了峰值。在中緯度的狹窄地帶，由于盛行風(fēng)帶來的風(fēng)暴，云層覆蓋率也相對較高。在亞熱帶沙漠較多的緯度上，大氣氣壓高，空氣干燥，天氣晴朗，不利于云的形成，這是最晴朗的區(qū)域帶。

隨后，我們研究了從1984年到2009年長期氣象衛(wèi)星的觀測記錄，來確定云量最多的地區(qū)和最晴朗地區(qū)所在的緯度，在這段時間是否發(fā)生了變化。我們有了一個了不起的發(fā)現(xiàn)：中緯度地區(qū)和晴空萬里的亞熱帶緯度地區(qū)的云層，正被推向兩極，這和模型的預(yù)測完全相符。此外，每一個獨立的數(shù)據(jù)集都證明了，大氣循環(huán)模式的改變導(dǎo)致云的分布模式更靠近兩極。將這一發(fā)現(xiàn)與在不包含人類排放活動的條件下運行模型得到的結(jié)果進行比較，我們確定，這些變化過于顯著，沒法單獨用氣候的自然波動來解釋。而且，這些變化比科學(xué)家此前預(yù)測的還要大。

這些觀測帶來的結(jié)果令人不安。如果低空云反射云層向兩極方向移動得太遠，它們的冷卻能力就會大大降低：它們阻擋的將是微弱的溫帶陽光，而不再是強烈的熱帶陽光。這樣的云層遷移會形成強烈的正反饋，進而增加氣候敏感度。

之后，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的喬爾·諾里斯（Joel Norris）領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，在考慮衛(wèi)星記錄間隔的情況下，也發(fā)現(xiàn)了云層分布模式向極地移動的趨勢。這些數(shù)據(jù)還表明，高空云或許在上升?？茖W(xué)家正在爭論這些變化的影響，以及它們是應(yīng)該歸因于溫室氣體排放、還是歸因于1991年皮納圖博火山噴發(fā)進入大氣中的顆粒物開始減少，還是歸因于氣候的自然波動，抑或是這些因素的某種組合。但有一點很清楚，那就是：長期的觀測并沒有發(fā)現(xiàn)云能減緩全球變暖的任何跡象。

解鈴還須系鈴人

觀測結(jié)果描繪的未來愈加清晰：高空云在上升，云層分布模式正在向兩極移動。這兩種趨勢都會加速全球變暖。短期觀察表明，熱帶地區(qū)云量減少，對陽光的阻擋也減少，進而加劇變暖；另外，高空云解凍對全球變暖的剎車效果也沒有我們認(rèn)為的那樣有效。前景不容樂觀。

那么，現(xiàn)在能否說云會讓全球變暖逼近平衡氣候敏感度的上限呢？平衡氣候敏感度是一個理論值，描述大氣中的CO2含量迅速翻倍最終會帶來的氣候反應(yīng)。雖然大氣中的CO2含量翻倍還沒有發(fā)生，但我們能研究它可能帶來的后果。另外，大氣中CO2含量在上升并不是理論上的。如果世界各國繼續(xù)保持目前的排放水平，截至本世紀(jì)中葉，大氣中CO2含量就會翻番。更多的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，更高分辨率的模型，更多富有創(chuàng)造性、銳意進取的科學(xué)家，將一道幫助我們確定地球會變暖多少。

與此同時，人們也得同另一個頑固不化、拒絕屈服的群體作斗爭：50%的美國人不接受人類正在改變氣候這一事實。如果CO2排放量繼續(xù)增加，地球?qū)⒆兣淮蠼貎骸，F(xiàn)在來看，云似乎只會讓全球變暖更加嚴(yán)重，或者至少可以說對緩解這個問題毫無幫助。解鈴還須系鈴人，解決全球變暖問題，是人類的任務(wù)。

（摘自《環(huán)球科技》2018年1月號總第145期）